氯气制备(硅的制取及硅片的制备)

Posted 2023-05-30

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氯气制备(硅的制取及硅片的制备)

【硅的制取简介】

不同形态不同纯度的硅制取方式各有不同，具体方法如下：
无定型硅可以通过镁还原二氧化硅的方式制得。实验室里可用镁粉在赤热下还原粉状二氧化硅，用稀酸洗去生成的氧化镁和镁粉，再用氢氟酸洗去未作用的二氧化硅，即得单质硅。这种方法制得的都是不够纯净的无定形硅，为棕黑色粉末。
晶体硅可以用碳在电炉中还原二氧化硅制得。工业上生产硅是在电弧炉中还原硅石（SiO2含量大于99%）。使用的还原剂为石油焦和木炭等。使用直流电弧炉时，能全部用石油焦代替木炭。石油焦的灰分低（0.3%～0.8%），采用质量高的硅石（SiO2大于99%），可直接炼出制造硅钢片用的高质量硅。
电子工业中用的高纯硅则是用氢气还原三氯氢硅或四氯化硅而制得。高纯的半导体硅可在1200℃的热硅棒上用氢气还原高纯的三氯氢硅SiHCl3或SiCl4制得。
超纯的单晶硅可通过直拉法或区域熔炼法等制备。

【不同晶体类型硅的生产工艺】
单晶硅的生产工艺

单晶硅是非常重要的晶体硅材料，根据晶体生长方式的不同，可以分为区熔单晶硅和直拉单晶硅。区熔单晶硅是利用悬浮区域熔炼（float zone）的方法制备的，所以又称FZ硅单晶。直拉单晶硅是利用切氏法制备单晶硅，称为CZ单晶硅。这两种单晶硅具有不同的特性和不同的器件应用领域：区熔单晶硅主要应用于大功率器件方面，只占单晶硅市场很小的一部分，在国际市场上约占10%左右，而直拉单晶硅主要应用于微电子集成电路和太阳能电池方面，是单晶硅的主题。与区熔单晶硅相比，直拉单晶硅的制造成本相对较低，机械强度较高，易制备大直径单晶，所以，太阳电池领域主要应用直拉单晶硅，而不是区熔单晶硅。

直拉法生长晶体的技术是由波兰的J.Czochralski在1971年发明的，所以又称切氏法。1950年Teal等将该技术用于生长半导体锗单晶，然后又利用这种方法生长直拉单晶硅，在此基础上，Dash提出了直拉单晶硅生长的“缩颈”技术，G.Ziegler提出快速引颈生长细颈的技术，构成了现代制备大直径无位错直拉单晶硅的基本方法。单晶硅的直拉法生长已经是单晶硅制备的主要技术，也是太阳电池用单晶硅的主要制备方法。
直拉单晶硅的制备工艺一般包括多晶硅的装料和熔化，种晶，缩颈，放肩，等径和收尾等。
多晶硅的生产工艺
直到20世纪90年代，太阳能光伏工业还是主要建立在单晶硅的基础上。虽然单晶硅太阳电池成本在不断下降，但是与常规电力相比还是缺乏竞争力，因此，不断降低成本是光伏界追求的目标。自20世纪80年代铸造多晶硅发明和应用以来，增长迅速，80年代末期，它仅占太阳电池材料的10%左右，而至1996年底它已占整个太阳电池材料的36%，它以相对低成本，高效率的优势不断挤占单晶硅的市场，成为最具竞争力的太阳电池材料，21世纪初已占50%以上，成为最主要的太阳电池材料。

太阳电池多晶硅锭市一中柱状晶，晶体生长方向垂直向上，是通过定向凝固（也称可控凝固，约束凝固）过程来实现，即在结晶过程中，通过控制温度场的变化，形成单方向热流（生长方向和热流方向相反），并要求液固界面处的温度梯度大于0，横向则要求无温度梯度，从而形成定向生长的柱状晶。实现多晶硅定向凝固生长的四种方法分别为布里曼法、热交换法、电磁铸锭法，浇铸法。目前企业最常用的方法是热交换法生产多晶硅。
热交换法生产铸造多晶硅的具体工艺流程一般如下：装料→加热→化料→晶体生长→退火→冷却。
非晶硅的生产工艺
要获得非晶态，需要有高的冷却速率，而对冷却速率的具体要求随材料而定。硅要求有极高的冷却速率，用液态快速淬火的方法目前还无法得到非晶态。近年来，发展了许多种气相淀积非晶态硅膜的技术，其中包括真空蒸发、辉光放电、溅射及化学气相淀积等方法。一般所用的主要原料是单硅烷(SiH4)、二硅烷(Si2H6)、四氟化硅(SiF4)等，纯度要求很高。非晶硅膜的结构和性质与制备工艺的关系非常密切，目前认为以辉光放电法制备的非晶硅膜质量最好，设备也并不复杂。

【纯硅的制备】
硅按不同的纯度可以分为冶金级硅（MG）、太阳能级硅（SG）和电子级硅（EG）。一般来说，经过浮选和磁选后的硅石（主要成分是SiO2）放在电弧炉里和焦炭生成冶金级硅，然后进一步提纯到更高级数的硅。目前处于世界主流的传统提纯工艺主要有两种：改良西门子法和硅烷法，它们统治了世界上绝大部分的多晶硅生产线，是多晶硅生产规模化的重要级数。在此主要介绍改良西门子法。改良西门子法是以HCl（或H2，Cl2）和冶金级工业硅为原料，在高温下合成为SiHCl3，然后通过精馏工艺，提纯得到高纯SiHCl3，最后用超高纯的氢气对SiHCl3进行还原，得到高纯多晶硅棒。主要工艺流程如图下图所示。

工艺主要包括：SiHCl3的合成、SiHCl3的提纯及SiHCl3还原制备高纯硅。

【硅片的加工工艺】
硅片一般分为单晶硅片和多晶硅片，硅片的制备分为单晶硅，多晶硅的生产工艺以及加工工艺。
硅片加工过程中包含的制造步骤，根据不同的硅片生产商有所变化。这里介绍的硅片加工主要包括开方，切片，清洗等工艺。常见单晶硅片，多晶硅片如下图所示。

单晶硅片和多晶硅片的加工过程中，腐蚀，清洗工艺几乎一样，不同点主要表现在前段工序。
（1）单晶硅片加工工艺
单晶硅片加工工艺主要为：切断→外径滚圆→切片→倒角→研磨→腐蚀、清洗等。
①切断：是指在晶体生长完成后，沿垂直与晶体生长的方向切去晶体硅头尾无用的部分，即头部的籽晶和放肩部分以及尾部的收尾部分。通常利用外圆切割机进行切割，外圆切割机如图7-4 所示。外圆切割机刀片边缘为金刚石涂层。这种切割机的刀片厚，速度快，操作方便；但是刀缝宽，浪费材料，而且硅片表面机械损伤严重。目前，也有使用带式切割机来割断晶体硅的，尤其适用于大直径的单晶硅。
②外径滚圆：在直拉单晶硅中，由于晶体生长方时的热振动，热冲击等原因，晶体表面都不是非常平滑的，也就是说整根单晶硅的直径有一定偏差起伏；而且晶体生长完成后的单晶硅棒表面存在扁平的棱线，需要进一步加工，使得整根单晶硅棒的直径达到统一，以便于在后续的材料和加工工艺中操作。
③切片：在单晶硅滚圆工序完成后，需要对单晶硅棒切片。太阳电池用单晶硅在切片时，对硅片的晶向，平行度和翘曲度等参数要求不高，只需对硅片的厚度进行控制。
④倒角：将单晶硅棒切割成晶片，晶片锐利边需要休整成圆弧形，主要防止晶片边缘破裂及晶格缺陷产生。
⑤研磨：切片后，在硅片的表面产生线痕，需要通过研磨除去切片所造成的锯痕及表面损伤层，有效改善单晶硅的翘曲度、平坦度与平行度，达到一个抛光处理的过程规格。
⑥腐蚀，清洗：切片后，硅片表面有机械损伤层，近表面晶体的晶格不完整，而且硅片表面有金属粒子等杂质污染。因此，一般切片后，在制备太阳能电池前，需要对硅片进行化学腐蚀。在单晶硅片加工过程中很多步骤需要用到清洗，这里的清洗主要是腐蚀后的最终清洗。清洗的目的在于清除晶片表面所有的污染源。常见清洗的方式主要是传统的RCA湿式化学清洗技术。
（2）多晶硅片加工工艺
多晶硅片加工工艺主要为：开方→磨面→倒角→切片→腐蚀，清洗等。
①开方对于方形的晶体硅锭，在硅锭切断后，要进行切方块处理，即沿着硅锭的晶体生长的纵向方向，将硅锭切割成一定尺寸的长方形硅块。
②磨面在开方之后的硅块表面会产生线痕，需要通过研磨除去开方所造成的锯痕及表面损伤层，有效改善硅块的平坦度与平行度，达到一个抛光过程处理的规格。
③倒角将多晶硅切割成硅块后，硅块边角锐利部分需要倒角，修整成圆弧形，主要是防止切割时硅片的边缘破裂、崩边及晶格缺陷产生。切片与后续的腐蚀、清洗工艺与单晶硅几乎一致，在此不再赘述。